자연계에 없는 기계적 메타물질 설계기술 개발
자연계에 없는 기계적 메타물질 설계기술 개발
  • 김남근 기자
  • 승인 2016.05.20 17:28
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[이슈메이커=김남근 기자]

 


자연계에 없는 기계적 메타물질 설계기술 개발

 

 


‘삶을 풍요롭게 하는 실용적인 연구 펼치고파’

 


자연계에 존재하지 않는 특이한 성질을 구현하기 위해 인공적으로 설계된 재료인 메타물질(metamaterial). 대표적으로 영화 헤리포터에 등장해 널리 알려진 투명망토(clocking device)가 바로 이 메타물질을 응용한 첨단 기술에 해당한다. 이와 유사하게 파동이 진행하는 방향에 따라 기계적 성질이 급격하게 변하는 이방성 메타물질(anisotropic metamaterial)은 음파와 상호작용해 파동의 진행방향을 조절할 수 있는데, 이러한 특성은 고성능 렌즈(superlens)와 높은 효율의 에너지 흡수제 등의 분야에 적용될 수 있어 큰 주목을 받고 있다. 이에 전 세계의 많은 연구자들은 다양한 구조의 메타물질의 기계적, 광학적 특성을 밝혀내고자 활발한 연구를 펼치고 있다.

 

 

 

 

잠재적 가치 높은 새로운 소재 원천 기술 개발

최근 국내 연구진이 자연계에 없는 기계적 메타물질 설계기술을 개발해 화제가 되고 있다. 이 기술은 3차원 미세구조의 형상을 조절해 자연계에 존재하지 않는 독특한 성질을 갖도록 인공적으로 설계된 재료인 메타물질 설계기술로 그 잠재적 가치가 매우 높은 원천 기술로 평가받고 있다. 특히, 복잡한 실험 과정 없이 삼중 주기적 연속체의 기계적 특성을 예측할 수 있는 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 다양한 조건에 따른 기계적 특성을 정확하고 빠르게 분석했으며, 다양한 형태의 삼중 주기적 연속체 구조(triply periodic bicontinuous structures)의 형상 설계를 통해 재료의 강성(强性)이 힘을 가하는 방향에 따라 크게 달라지도록 제어할 수 있는 방법을 연구해왔다. 이를 통해 특정 방향에 가해지는 힘에는 매우 단단하고, 다른 방향의 힘에는 매우 약한 메타물질의 설계가 가능하게 만든 것이다. 즉, 물질에 힘을 가하는 방향에 따라 강도가 최고 130배가량 변한다는 것으로, 자연계에 존재하는 재료에 비해 10배 이상 높은 강도의 메타물질을 개발한 것이다. 어느 쪽은 두부처럼 연하고 또 다른 쪽은 철보다 단단하다는 말이다. 이처럼 강도가 바뀌는 물질은 충격을 흡수하는 효율이 천연 재료보다 크게 뛰어나 차세대 방탄복 재료나 보호제로 쓰일 수 있다고 연구진은 전했다. 
 

  뿐만 아니라 제안한 구조의 내부 형상을 수 마이크로 크기 이하로 만들면 방향에 따른 탄성파의 전달속도의 비율을 최대 200배 이상 변화시킬 수 있다. 메타물질은 마이크로 크기 이하로 작게 만들면 음파 등 파동이 어떤 방향으로 접하느냐에 따라 파동의 전달속도가 매우 빨라지거나 느려지는 특성이 생기기 때문이다. 이 특성을 잘 활용하면 특정 방향으로는 파동이 물질을 그대로 통과하게 할 수도 있어 소나(sonar)로 감지할 수 없는 ‘스텔스 잠수함’의 소재와 같은 은폐장치 개발 등에 이용될 수도 있다. 이번 성과는 세계적 과학학술지 네이처의 자매지인 ‘사이언티픽 리포트’(Scientific Report) 2월 3일 자에 실렸다.
 

  연구를 주도한 김동철 교수는 “이번 연구를 통해 삼중 주기적 연속체 구조를 가진 메타물질의 기계적 특성의 제어 가능성을 확인할 수 있었습니다”라며 “고도의 전문성과 기술력이 요구되어 설계가 매우 제한적이었던 메타물질 설계기술을 정확하고 빠르게 분석할 수 있어 이를 응용한 다양한 분야의 실용화를 앞당기는데 이바지할 수 있을 것이라 기대합니다”라고 자부심을 내비쳤다.

 

 

▲서강대학교 다중물리 다중스케일 연구실 연구진 (왼쪽 윗줄부터 시계방향)김영완, 김준형, 최흥재, 이희철, 송지환 연구교수, 김동철 교수, 이우주

 

 

장기적 연구는 큰 연구자를 배출할 수 있는 초석

그동안 다중물리·다중스케일 시스템에 대한 연구를 진행해온 김동철 교수는 현재 새로운 도전을 펼치고 있다. ‘지능재료 시스템의 멀티스케일 설계 기술 개발’이라는 주제로 진행되고 있는 이번 과제는 중견연구자지원사업의 핵심연구(공동)로 2017년까지 진행되는 연구다. 외력에 의해 지능재료의 형상이 변형되었음에도 불구하고 특정 자극을 재료에 가할 경우 변형 전의 형상을 기억해 되돌아가는 성질인 형상기억효과(shape memory effect)와 재료에 가한 외력을 제거할 경우 특정 자극 없이도 영구적인 변형이 사라지는 성질을 말하는 초탄성효과(superelastic effect)라는 독특한 특성을 지닌 형상기억합금(Shape Memory Alloy, SMA)에 대한 연구를 펼치고 있는 것이다. 여기서 말하는 지능재료란 재료에 가해지는 외적 조건의 변화에 스스로 유연하게 대처하여 치명적인 손상을 방지하고 돌발적인 위기 상황을 막을 수 있는 기능을 가진 재료를 말한다. 김 교수와 연구진은 바로 이 지능재료의 다양한 기계적 특성을 예측할 수 있고 더 나아가 원하는 특성을 갖도록 재료를 설계할 수 있는, 효율적인 설계 방법을 개발하고자 연구에 매진하고 있다. 실제 연구진은 미시스케일에서의 상의 변화 양상을 명확하게 이해하고 해석해 이들의 정보를 바탕으로 거시스케일의 형상기억합금 재료의 특성 예측이 가능한 멀티스케일 해석 기법을 개발하였다. 이를 통해 초소형 센서, 항공우주, 국방, 바이오 분야 등 다양한 산업 분야에서 응용 가능한 지능재료 기반의 장치를 설계하는데 있어 많은 도움을 줄 수 있을 것이라 김 교수는 전망했다. 이번 연구 역시 복잡한 실험 과정 없이 형상기억합금의 기계적 특성을 예측할 수 있는 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 다양한 조건에 따른 기계적 특성을 정확하고 빠르게 분석했다. 
 

  김동철 교수는 “이번 메타물질 설계기술 개발과 형상기억효과 연구처럼 학문의 응용을 통한 새로운 소재 원천 기술을 개발할 수 있었던 것은 포기하지 않고 꾸준한 연구를 진행할 수 있었기에 가능했다고 생각합니다”라며 “현시점에서 많은 연구자들은 단기간의 연구가 아닌, 중·장기적인 연구를 펼칠 수 있는 여건 마련이 굉장히 절실합니다. 연속되는 연구가 진행돼야만 연구자들의 목표를 명확히 설정할 수 있고, 이 같은 배경은 큰 연구자를 배출할 수 있는 초석을 마련하게 됩니다. 이러한 선순환 구조가 하루빨리 실현되기를 바랍니다”라고 목소리를 높였다.
 

  항상 주변에 감사하는 마음으로 연구자로서의 본질과 연구의 참된 의미를 알아가고자 하는 김동철 교수. 그는 “연구는 개인의 것만이 아닌, 연구에 참여한 연구진과 또 이를 가능하게 뒷받침해주는 가족의 배려로 완성될 수 있는 모두의 결과물”이라고 전한다. 때문에 모든 이의 삶을 풍요롭게 할 연구를 펼치고자 한다. 앞으로 그가 펼쳐나갈 연구가 더욱 기대되는 이유다.

 


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